Где находятся аккумуляторы в электробусе

Электробусная реальность: батареям 30 лет, а электробусы выезжают на улицы только сейчас. Разбираемся почему

Последние годы газеты по всему миру все чаще выходят с заголовками о том, что очередной город начал переход на электрические автобусы. Причем тренд характерен не только для столиц, но и провинциальных городов.

На сегодняшний день больше всего — 99% всех электробусов — сосредоточено в Китае. В городе Шэньчжэнь уже заменен весь дизельный автопарк. Другие страны тоже стараются не отставать. Москве потребовалось всего два года, чтобы запустить 500 электробусов с быстрой подзарядкой.

Увеличивают количество электробусов и другие города Европы: Лондон, Париж, Берлин. В белорусском Гродно применяются in motion charging busses(автобусы с возможностью подзарядки во время движения), которые позволили связать маршруты на разных концах города.

Похоже, мы дождались момента начала массовой декарбонизации наземного транспорта. Возникает логический вопрос: почему массовое производство электробусов стало возможно только сейчас?

Сердце любого электрического транспорта – это аккумулятор. Используемые в электробусах батареи, являются вариантами литий-ионных аккумуляторов. Их история началась около 30 лет назад. Первоначально этот тип батарей получил распространение в сфере IT-гаджетов: такими батареями стали оснащать ноутбуки и телефоны.

Развитие рынка гаджетов способствовало совершенствованию литий-ионных аккумуляторов и переходу производства в промышленные масштабы.

Химические соединения, используемые в батареях, становились безопаснее, а стоимость производства ниже. Эти факторы позволили перейти к применению литий-ионных батарей в электрическом транспорте, в том числе в электробусах. С этого момента началась электрическая гонка и стремительное развитие индустрии.

На первый взгляд может показаться, что заменить дизельные автобусы электробусами несложно. На самом же деле батареи электробусов должны отвечать ряду критериев: безопасность, экологичность, легкость, эффективность и экономичность. Идеальным решением являются литий-титанатные батареи.

На сегодняшний день, существует три типа электробусов: depot charging bus, opportunity charging bus, in motion charging bus. Литий-титанатные аккумуляторы подходят для второго и третьего типа электробусов. Этот тип батарей считается лучшим не просто так.

Во-первых, они безопасны во всех смыслах: как для экологии, так и с технической точки зрения. Во-вторых, они идеальны для городов с большими перепадами температуры и работают даже при сильных морозах. В-третьих, они экономически эффективны. Да, если смотреть на стоимость производства литий-титанатной батареи, то она окажется больше остальных.

Однако, срок службы такой батареи составляет около 15 лет, что в три раза больше, чем у батарей других типов. В итоге, в контексте жизненного цикла литий-титанатные батареи оказываются самыми дешевыми и экономически привлекательными. Кроме того, рост объёмов производства привел к тому, что за последние 10 лет средняя стоимость батарей данного типа снизилась примерно в 1,8-1,9 раз.

Еще одна привлекательная черта электробусов с литий-титанатными батареями – это возможность использования быстрой подзарядки. Такие электробусы могут подзаряжаться на конечных пунктах маршрута в течение всего нескольких минут и проезжать за день до 300-400 километров.

Это позволяет покрыть еще одну важную потребность общественного транспорта современных городов – непрерывные перевозки. Многие могут поспорить, что электробусы с ночной зарядкой подойдут для подобных целей лучше. Да, действительно, батареи таких автобусов будет возможно зарядить ночью, чтобы они смогли работать весь день.

При этом, размер и вес таких батарей должны быть значительны: 3-4 тонны против 1,5 тонн в электробусах с быстрой подзарядкой. А учитывая вес одного пассажира в 75 килограммов, получается минус 20-35 потенциальных пассажиров.

В условиях мегаполисов, где пассажировместимость общественного транспорта крайне важна, побеждают литий-титанатные батареи. Кроме того, за 15 лет использования электробуса с быстрой подзарядкой объемы утилизации батарей будут в 12 раз меньше, чем при использовании электробуса с ночной зарядкой.

Похоже, что на данный момент литий-ионные аккумуляторы являются лучшим типом батарей для электробусов. Ближайшие аналоги отстают по показателям эффективности и качества, а новые разработки, похоже, на принесут ничего нового в ближайшие годы.

Таким образом, благодаря технологическому развитию и массовому производству электробусы становятся символом перемен. Тренд по переходу на экологически чистый транспорт начинается именно с общественного транспорта. В некоторых городах парк наземного транспорта может быть переведен на электричество уже в течение 5-10 лет.

Точка окупаемости электробусов была найдена – не последнюю роль в этом сыграли литий-титанатные батареи. А это значит, что зеленую революцию не остановить, и ее первая «автобусная волна» уже здесь.

Это электробус

После появления первого электротранспорта в XIX веке и второго всплеска популярности в 70-х годах XX века электробусы вновь вышли на улицы городов. О том, что повлияло на их развитие и как изменились технологии: от создания ёмких аккумуляторов до развития зарядной инфраструктуры — можно узнать в нашей новой статье.

Первый электротранспорт: привет из XIX века

Электромобили появились задолго до машин с двигателем внутреннего сгорания. Готтлиб Даймлер и Карл Бенц запатентовали первые самодвижущиеся повозки с бензиновым ДВС в 1886 году, тогда как первый электромобиль для перевозки людей был представлен в 1837 году. Из-за высокой стоимости и низкой эффективности первые электромобили не могли тягаться с машинами с паровым двигателем. Стоимость обслуживания авто с цинковым аккумулятором в 40 раз превышала цену обслуживания паровой машины на угле.

После появления доступных свинцово-кислотных аккумуляторов электромобили успели ненадолго войти в моду. В 1890 году американец Уильям Моррисон построил первый электробус — автомобиль вместимостью 6 человек, развивающий скорость до 19 км/ч и проезжающий на одном заряде до 160 км. 24 батареи, весившие в сумме почти 350 кг, выдавали ток 112 А с напряжением 58 В и требовали для полной перезарядки 10 часов.

Электробус Уильяма Моррисона. Источник: american-automobiles.ru

В самом начале XX века в Лондоне на маршрутах городского транспорта успешно работали 20 электробусов, на то время более эффективные и экономичные, чем их бензиновые аналоги. Одного заряда аккумулятора хватало на 60 км пути, поэтому на конечных станциях опустевшие батареи заменяли на новые — процесс занимал всего три минуты.

Лондонский электробус со съемной батареей — прообраз будущей Tesla с быстросъемными аккумуляторами. Источник: Лондонский музей транспорта

К 1900 году 38% автомобилей в США работали на электричестве, но совершенствование двигателей внутреннего сгорания и снижение цен на топливо резко затормозило развитие отрасли автономного электротранспорта — уже к 30-м годам XX века электробусы практически исчезли. В отличие от бензиновых машин, электротранспорт не дешевел, а состояние экологии пока никому не внушало опасений. Крест на инвестициях в автобусы с аккумуляторами поставило появление в 20-х годах дешевых троллейбусов.

Процесс замены аккумулятора в электробусе — полная автоматика, как в XXI веке. Источник: Британская библиотека

Но из-за низких цен на топливо в середине XX века индустрия ДВС пошла по пути наращивания объема, что напрямую сказывалось на расходе бензина. Даже легковые автомобили снабжались неэкономичными шестилитровыми двигателями, обслуживание которых в 70-х стало буквально «золотым». Сложившаяся ситуация вызвала новый всплеск популярности электромобилей. Так в английском Манчестере в 1974 году на городские маршруты вышли электробусы Seddon Pennine 4-236 на хлоридных аккумуляторах.

Редкий кадр действующего в 1975 году электробуса Seddon Pennine 4-236. Источник: Alan Snatt

Единственный универсальный коммерческий автомобиль, оставшийся на память о том времени — минивэн Mercedes-Benz LE 306, чей быстросъемный аккумулятор обеспечивал мощность около 76 лошадиных сил, но истощался уже через 50 км пути. Автомобиль прожил до 1983 года, после испытаний почтовой службой немецкого города Бонна он был признан нерентабельным.

Электрический минивэн Mercedes-Benz LE 306 — напоминание об эпохе топливного кризиса. Источник: Mercedes-Benz

Серьезно о массовом производстве и использовании электротранспорта заговорили лишь в XX веке, когда общество стало задумываться об экологических угрозах и осознавать, какой вред окружающей среде наносят выхлопные газы автомобилей. На фоне обсуждения экологических проблем идея перевода дизельных автобусов на электричество стала довольно популярной, и немалую роль в этом сыграло появление литий-ионных батарей, способных накапливать энергию и обеспечивать автономное движение электробусов в течение длительного времени. Изобретение таких батарей решило и экономическую проблему, сделав производство и обслуживание электротранспорта более экономичным и открыв ему дорогу на массовый рынок.

Вопросы питания

В современных электробусах для питания используются аккумуляторы или суперконденсаторы. Последний способ хранения энергии по-своему интересен, хотя и сильно ограничивает возможности электротранспорта.

Суперконденсаторы могут хранить всего 5% энергии в сравнении с литий-ионными батареями схожего объема. Очевидно, что на одном заряде конденсатора автобус проедет всего несколько километров, а значит о какой-либо автономности говорить не приходится. Но позитивное свойство конденсаторов — скорость зарядки. На восстановление заряда уходят секунды.

Китайский суперконденсаторный Ultracap Bus на остановке с зарядной станцией — выглядит, как участок с троллейбусными проводами. Источник: Shanghai Aowei Technology

Так в китайском городе Нинбо действует конденсаторный электробус, которому для подзарядки хватает всего 10 секунд — благодаря развитой инфраструктуре зарядных станций, автобус получает энергию на каждой остановке во время высадки-посадки пассажиров, которая обычно длится немного дольше. Кроме того, до 80% энергии торможения преобразуется в электричество и возвращается обратно в конденсаторы — это дает экономию до 50%.

Суперконденсаторы постоянно совершенствуются, но внедрение электробусов на таких элементах питания требует очень дорогостоящей инфраструктуры в виде зарядных станций высокой мощности на каждой остановке. Кроме того, внештатные ситуации в виде неожиданных пробок могут оставить автобус с разряженными конденсаторами на дороге и создать дополнительные проблемы для дорожного трафика.

Литий-ионный аккумулятор — это не какой-то конкретный вид батарей с единственным утвержденным составом, а целое семейство энергетических элементов. Разработка литий-ионных аккумуляторов представляет собой сложный процесс поиска необходимого баланса между мощностью, ёмкостью, компактностью и ценой. Идеала пока не существует. Каждый тип литий-ионной батареи хорош для конкретной сферы применения. Далеко не все они используются в электротранспорте, многие находят свое место в электронике с небольшим энергопотреблением.

Аккумуляторы на оксиде лития-кобальта (LiCoO2), — самые доступные и популярные на сегодняшний день, — имеют отличную ёмкость на единицу объема, низкую стоимость и напряжение 3,6В на ячейку. Именно такую батарею вы найдете в мобильных устройствах и портативной потребительской электронике. Минусы таких аккумуляторов тоже известны: малый ток разряда, максимум 1000 циклов зарядки/разрядки до начала серьезной деградации ёмкости, долгая зарядка и невозможность работы при отрицательных температурах. Электробус на LiCoO2 обойдется дешевле, чем на других типах аккумуляторов, но сможет работать только в теплых странах на коротких маршрутах с минимальной загрузкой, вроде трансферов внутри кампусов.

Литий-марганцевый аккумулятор (LiMn2O4) благодаря трехмерной структуре смог обеспечить высокий ток разряда — до 30 раз превышающим его ёмкость. Это дало возможность использовать LiMn2O4 в устройствах с краткосрочным высоким энергопотреблением, например, в электромобилях Nissan Leaf и BMW i3. Но у литий-марганцевых аккумуляторов обнаружились свои недостатки: еще меньший, чем у литий-кобальтовых батарей жизненный ресурс и нетерпимость к холоду. Поэтому литий-марганцевые батареи комбинируют с другим типом аккумуляторов — NMC.

NMC-аккумулятор Nissan Leaf стоит вдвое дешевле NCA-батареи Tesla, но и ёмкость теряет примерно вдвое быстрей (70% после 100 тыс. км). Источник: Benjamin Nelson

Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные батареи, или просто NMC, получили неплохую удельную энергоёмкость и срок службы (до 2000 циклов разрядки), но ток отдачи у них оказался невелик. Именно поэтому для использования в электромобилях NMC комбинируют с LiMn2O4 — при обычной езде в основном работают NMC-ячейки, а при ускорении высокий ток отдают ячейки LiMn2O4.

Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи (LiNiCoAlO2, или NCA) отличаются высокой удельной ёмкостью и приемлемой стоимостью. Скорость зарядки и ток разрядки у NCA-аккумуляторов средние, их нельзя записать в достоинства или недостатки. Именно NCA стали источником энергии для автомобилей Tesla и систем хранения Powerwall.

540-килограммовая NCA-батарея Tesla Model S на 85 кВт при замене из-за износа отправляется в системы хранения энергии Tesla Powerwall. Источник: wk057

Но одна особенность NCA-батарей бросила тень на Tesla еще до того, как владельцы могли столкнуться с потенциальными проблемами — аккумуляторы имеют сравнимые с литий-кобальтными ячейками срок службы в 500 циклов. А дальше замена и утилизация изношенных элементов. Реальный опыт показал, что даже спустя 200 тысяч километров батареи в электромобилях Tesla остаются рабочими, теряя треть ёмкости. Но, несмотря на этот положительный опыт, для городского электротранспорта NCA-аккумуляторы не являются лучшим выбором, ведь пробег автобусов в разы и даже на порядки превышает пробег личных авто.

Литий-титанатный ответ

Литий-титанатные аккумуляторы (Li4Ti5O12, LTO) известны еще с 80-х годов прошлого века. Toshiba активно разрабатывает и производит этот тип батарей под названием SCiB (Super Charge Ion Battery). Для изготовления анода в них используется литий-титанат вместо графита. При этом катод может быть заимствован у NMC-батарей. Замена графита позволила увеличить эффективную площадь анода с 3 м2/г до 100 м2/г, что в лучшую сторону влияет на скорость зарядки ячейки и ток разряда. Так в 2017 году Toshiba продемонстрировала SCiB-батарею, способную восстановить до 90% своей ёмкости всего за 5 минут.

Пористая структура литий-титанатного оксида обеспечивает в 30 раз большую площадь, чем графит, и в разы больший срок службы. Источник: КБ «Энергия»

Литий-титанатные батареи стабильно отдают ток в десять раз превышающий их ёмкость, и в тридцать раз при импульсных нагрузках. Ранние образцы выдерживали до 7000 циклов разрядки, а современные аккумуляторы обеспечивают 15000-20000 циклов — с этими показателями не сравнится ни один другой тип литий-ионных батарей. Кроме того, LTO-батареи пожаробезопасны, при разгерметизации они нагревают до 70 градусов и остывают, перегрев им также не страшен. На холоде элемент почти не теряет эффективность — при температуре -30 градусов ёмкость литий-титанатной ячейки понижается до 80% от номинала.

Литий-титанатная батарея Toshiba, используемая в автобусах Proterra. Источник: Proterra

Невероятная живучесть, мгновенная зарядка, стойкость к холодам. Звучит, как идеальный аккумулятор для телефона. Но есть у LTO-батарей и свои недостатки, которые пока ограничивают круг их применения. В первую очередь, это низкая удельная ёмкость 50-80 Вт/кг, тогда как у традиционных литий-кобальтовых элементов она равна 150-200 Вт/кг — то есть, для получения равной ёмкости литий-титанатная ячейка должна быть вдвое-втрое объемней. Во-вторых, номинальное напряжение ячейки равно всего 2,4 В против 3,6 В у литий-кобальтовых. В-третьих, пока литий-титанатные батареи отличаются высокой ценой, втрое большей, чем у NCA-батарей. Именно поэтому встроить литий-титанатный аккумулятор в смартфон пока невозможно — получится дорогой элемент с низкой ёмкостью и недостаточным для работы устройства напряжением.

Зато в электробусах, где нет дефицита места, а также требуется высокий ресурс батареи, литий-титанатным аккумуляторам самое место.

На графике показан пробег тестовой машины на SCiB и литий-кобальт-оксидных батареях. Преимущество SCiB более чем очевидно. Источник: Toshiba

Вопрос подзарядки

Без развитой инфраструктуры электробус превращается в проблему. Заряжать электробус можно тремя разными способами: долгой ночной зарядкой, быстрой зарядкой на конечных станциях и экспресс-зарядкой на остановках.

Зарядные станции на остановках общественного транспорта требуются, например, электробусам на суперконденсаторах: над павильоном устанавливается контактная площадка или провода, которых автобус касается пантографом. Если суперконденсаторам хватает питания в течение нескольких секунд, то для подзарядки аккумулятора нужны хотя бы минуты. Учитывая, что современные литий-титанатные батареи Toshiba восстанавливают большую часть заряда за пять минут, на маршрутную сеть электробуса достаточно установить всего несколько зарядных станций, которые смогут поддерживать аккумуляторы автобуса заряженными.

Долгая ночная зарядка в общественном транспорте используется только в паре с одним из двух других способов. Заряжать автобус всего раз в сутки и отправлять его на маршрут на весь день невозможно по объективным причинам. Во-первых, для работы в течение хотя бы половины дня нужны очень ёмкие аккумуляторы, которые займут много места в салоне — это обстоятельство резко удорожает стоимость каждого автобуса. Во-вторых, к автобусному парку необходимо подводить очень мощные линии электроснабжения, чтобы одновременно питать десятки и даже сотни автобусов.

Серийный электробус КамАЗ заряжается на конечной остановке московского маршрута №73. Источник: alisa

А что дальше?

Городской электротранспорт всегда считался сомнительной экзотикой, а сейчас в мире работают сотни тысяч электробусов. Чемпионом по адаптации новых технологий является Китай, где находятся почти 99% существующих в мире электрических автобусов. По оценкам Bloomberg New Energy Finance, к 2025 году 47% автобусов в мире будут электрическими.

Россия тоже не отстает от мировых тенденций. Ежегодно многие российские города закупают электротранспорт и выводят его на постоянные маршруты, создается специальная инфраструктура и предлагаются решения в области энергообеспечения. Не исключено, что переход на электротранспорт затянется на десятилетия и, возможно, мы застанем время, когда личные электромобили перестанут быть предметом роскоши и составят достойную конкуренцию дизельным аналогам.

Где взять аккумуляторы для электробусов: Москва нашла решение

Электротранспорт для Москвы стал важным и перспективным направлением развития общественного транспорта. Чистый воздух для большого мегаполиса с миллионными пассажиропотоками ой как нужен. А для электробусов аккумуляторы тоже нужны как воздух. И чтобы не зависеть от внешних поставок «топлива» для электрических машин, в Москве принято решение опираться на собственные силы и организовать в столице производство аккумуляторных батарей для электротранспорта. Такое распоряжение подписал мэр Сергей Собянин.

«Правительство Москвы решило привлечь к производству в городе инвесторов. Контракты будут заключены с победителями электронного конкурса на заключение государственного контракта со встречными инвестиционными обязательствами (офсетного контракта) на поставку аккумуляторных батарей для электротранспорта», — сообщает пресс-служба мэра и правительства Москвы.

Условия контракта обязуют поставщика-инвестора создать на территории Москвы производство пяти типов аккумуляторных батарей для электротранспорта, в том числе для электробусов, трамвайных вагонов, электромобилей «Москвич», речного транспорта, электросамокатов и велосипедов. На это ему отводится три года. Столица же со своей стороны обязуется закупать батареи для своих нужд в течение семи лет.

Теперь нас можно читать и в Telegram

Электробусы и их батареи: что такое литий-титанат? (Part.1)

фото c сайта www.zr.ru

Друзья здравствуйте, всем здоровья, берегите себя, антисептики — наше ВСЁ!

Сегодня попробуем рассмотреть московские электробусы по мотивам статьи в журнале «За рулем» в части используемых литий-титанатных батарей (Li4Ti5O12 или LTO), их стоимости и перспектив эксплуатации, также попробуем разобраться, почему литий-титанат не подходит для промышленных решений в ИБП.

После нашей статьи «Li-Ion технологии: удельная стоимость снижается быстрее прогнозов» вызвал интерес литий-титанат как «не автомобильный» литий. На мой взгляд LTO как раз и является самым что ни на есть тяговыми батареями, которые совершенно не подходят для работы в качестве аккумуляторных батарей в ИБП и телекоме. Почему? Давайте разберемся под катом, структуру статьи условно разделим на три части:

Что такое электробус и почему LTO?
Химия-химия. все батарейки одинаковые? В чем отличие LTO, LpTO и LFP
Стоимость литий-ионных решений на данном этапе: мировые данные и примерные коэффициенты на рынке РФ

Что такое электробус и почему LTO?

Для начала разберемся в статье и «выудим» нужные нам данные

используемые LTO-батареи, точнее АКБ+BMS, производства китайской Microvast,INC.Однако ВИКИ утверждает, что в Китае лишь завод по производству батарей, головная компания — Хьюстон, штат Техас, USA
Электробусы поставляют КАМАЗ и ЛИАЗ, кузова разные, но силовая установка одна и та же
декларируется 7 лет работы или 15 тысяч циклов, однако в буклете производителя указано витиевато «более 12 тысяч циклов». А вот вышеупомянутый ВИКИ утверждает, что количество циклов для этого типа батарей-от 2 до 7 тысяч циклов. Разберемся ниже по тексту, однако скажу, что в научных статьях именно для Microvast указывают лишь >2000 циклов для LpTO
Вот тут не состыковка с буклетом китайцев, они утверждают, что начало эксплуатации электробусов в Китае — 2011 год, то есть в прошлом году уже прошло 9 лет, вопрос где статистика?

Но в мире нет пока семилетних электробусов, чтобы опереться на практический опыт, а потому приходится верить расчетам на бумаге. В частности, никто не берется предсказать, как просядет емкость с годами и сколько раз за день придется подключать к сети уже не новую машину.

Под спойлером можно посмотреть из чего состоит батарея электробуса и откуда взялись исходные данные

Поскольку ходовая и кузов классического автобуса полностью идентична электробусу, примем массу ДВС равной массе электромоторов и инвертеров привода электробуса, тогда получим «добавленную» массу электробуса равной массе АКБ, кабелей, несущей конструкции на крыше. То есть примем массу накопителя электробуса равной 1800 кг.
Теперь заглянем к производителю батарей. Получается, что в электробусе мы имеем две батареи для каждого электродвигателя заднего моста. Этот факт подтверждается картинкой — моделью автобуса, где видно две батареи на крыше. То есть имеем 2*77кВт*ч батареи, каждая по 800 кг.

Таким образом на основе статьи имеем:

Удельная мощность батарей — 96 Вт*ч/кг массы батарей (pack). Для сравнения- вилка удельной мощности для Li-Ion батарей 90-200 Вт*ч/кг. Имеем нижнюю планку удельной мощности
Удельная стоимость батарей (за вычетом 1/3 зарядной станции -55,2 т.рублей/ Вт*ч/кг (pack)
Кузов автобуса рассчитан производителем на 12 лет эксплуатации, расчетная замена батарей — через 7 лет за счет города, учитывая невысокий (предположительно) уровень службы эксплуатации Мосгортранс и желание «побыстрее» зарядить батарею в ущерб сроку службы батарей — получаем средний цикл эксплуатации батареи — порядка 7 тысяч циклов. Если брать по 10 циклов в день — то срок службы батарей электробуса вряд ли превысит 3 года или 10,5 тысяч циклов (2 года гарантии — предполагаю — плюс год послегарантийного обслуживания)